機械技術 潤滑和軸承相互促進的發展史

載之載暇,還車延邁,傳真餘謂,不暇有害 用油脂潤滑車軸,在軸端檢查削釘 驅車趕快回到家鄉位啊,不要讓我心中有愧 這是《詩經》對潤滑的最早記載 曾經鑽木取火的國人,很早就知道摩擦對車軸的損害 古人利用動物油脂混合石灰來潤滑車軸 它們會產生造化反應,變得光滑 除了運輸外,馬車還是武器 戰場上,獵馬衝擊,車軸橫掃 加上長戈和弓箭,威力堪比坦克 秦始皇兵馬俑出土的銅車馬 展示出當時精湛的造車技藝 在西方,古羅馬時曾用橄欖油來潤滑 中世紀風車水墨的潤滑,也是用動物的油脂來完成 當時木製機械的轉速不快,這已經夠用了 文藝復興時,人們開始研究摩擦現象 一天達芬奇照例展開畫簿,記載他的非凡創意 這次他畫的是羅文直升飛機 他想到,這個羅文的木軸旋轉速度會遠大於風車和水墨 他開始思考摩擦的本質,畫出了最早的軸承草圖 他總結出兩條法則,即摩擦力與壓力程正比 摩擦係數和接觸面大小無關 不過當時並沒有發表出來 200多年後的1699年,法國阿蒙頓也發現了這兩條規律 到1785年,庫倫定律提出摩擦力正比於接觸面正壓力 牛頓提出摩擦學第三定律,即動摩擦與速度無關 這些研究成果確立了早期經典摩擦學理論 這個時期,由於圈地運動,大量溼地農民湧入城市 倫敦犯罪率飆升 1736年,倫敦決定增加路燈照明 歐洲普遍效法,需要大量燈油 松節油和蠟燭有黑煙,雪魚油燒起來有臭味 豬油容易板結,牛油燈光太暗 只有鯨魚油燃燒時,又亮又幹淨,最受歡迎 鯨魚油還用在製革,化妝品,肥皂等 鯨魚骨頭重量輕,彈性好,用來製作女性衣服的古稱束胸 歐洲興起西妖的惡趣味,當時的女性深受其害 人們發現,鯨魚油還有優秀的潤滑功能 冷天不會凍結,高溫下性能穩定 不容易和機械構建反應 迅速應用到織布機,馬車,風車水磨等機械上 但這些潤滑油,沒法用在鐘錶上 它一干就粘稠,是鐘錶誤差的主要來源 人們開始琢磨減少摩擦的新辦法 1740年,約翰·哈里森在研發第三臺航海鍾時 發明了紅寶石軸承和龍式滾子軸承,啓發後人 哈里森最終解決了海上導航問題 變滑動爲滾動的思路,也不斷有人嘗試 1794年,威爾士鐵匠菲利普·沃恩 申請了四輪馬車的軸承專利 它是木製的,用深槽固定鑄鐵滾珠 這個設計沒有保持架,看起來很簡陋 這些前工業時代的探索 爲工業革命提供了堅實的技術儲備 19世紀,工業革命如火如荼 火車開始普及,鋼材變得廉價 金屬加工水平逐步提高 1869年,巴黎修理工蘇里雷 發明了鏡像滾珠軸承 當年起手用它贏得國際自行車大賽冠軍 吸引了各國工程師的目光,更多人加入進來 1883年,德國弗里德里希·費舍爾 發明了革命性的球磨機 利用研磨工藝批量生產鋼球 成爲軸承工業的奠基石 1895年,亨利·田姆肯發明圓錐滾子軸承 1907年,斯文·溫奎斯特發明自調芯滾珠軸承 隨着工業發展,減少摩擦越來越重要 獨立的軸承業逐漸形成 軸承業的增長意味着工業對潤滑的急迫需求 照明時代的鯨魚還有活路 潤滑時代對鯨魚就是滅頂之災 南北戰爭後,美國經濟高速發展掀起補金狂潮 19世紀中葉,美國一年補金近萬頭 鯨魚油比植物油還便宜 北美沿海原有的巨量鯨魚群成了瀕危物種 1859年,美國德雷克鑽出第一口油井 這是石油液的開端 有人發現,把石油塗抹在傷口上,痊癒會更快 這大概率是因爲隔絕了空氣裏的病菌 美國醫生約翰·埃利斯希望能從石油裏提取藥物,沒有成功 但他發現,提煉物的潤滑性能優良,能使蒸汽機閥門的動作更順暢 他棄一從化學,從事潤滑油實驗,研發出能耐高溫的潤滑劑 1866年,他建立工廠,生產盛牌潤滑油,成爲福特汽車的供應商 隨着福特T型車的成功,用石油提煉的潤滑油也廣泛普及 鯨魚終於得救了 汽車不僅需要潤滑油,還有剎車油、防護油等 催生了各種添加劑,實現抗氧防鏽、防腐耐磨、降凝增稠等功能,適應不同工況 30年代後期出現了ZDP,即二丸基二硫帶磷酸鑫 因其卓越的抗氧化、抗磨損和抗腐蝕性能得到廣泛應用 是添加劑發展的里程碑事件 石油發展才十幾年,人工合成油的探索就開始了 1877年,法國查爾斯福裏德和美國詹姆斯克拉夫茨 首次人工合成碳氫化合物 1913年,德國弗里德里希貝爾吉烏斯實現了運煤制油 十年後,德國人弗朗茨·費舍爾和漢斯托羅斯 發明了費託合成法,用天然氣制油 30年代後,通過費託合成製取的燃油、橡膠、潤滑油、石蠟在德國大量出現 此時的摩擦學轉向研究油膜 1883年,英國工程師伯尚塔在滑動軸承的加油孔上安裝壓力劑 發現壓力很大,認識到油膜層的存在 它隔開摩擦表面,能承載很大的負荷 1886年,雷諾提出了潤滑微分方程,揭示了油膜的機理 1905年,阿諾德·索莫菲發展出流體動力潤滑學 後來出現彈性流體動力學,解釋了軸承和齒輪的潤滑機理,促進精密機械的發展 1927年,出現磨損試驗機,用來測定潤滑指標 摩擦學成爲一門獨立學科 1938年,美國杜邦公司的羅伊普倫凱特博士 在研發製冷劑過程中,對伺服乙烯加壓降溫 沒想到這種氣體沒有液化,而是發生了聚合反應 變成聚伺服乙烯樹脂 他發現這種蠟狀固體熱穩定性好,有自潤滑特性 起名特芙隆,開啓了潤滑新賽道 這是化學領域的重大突破,催生了一系列塑料和樹脂產品 將自潤滑材料與粘合劑結合,塗在零件上,就不需要潤滑油 目前商用的固體潤滑劑主要有石墨、二流化木、特芙隆等 它適合用在一些高溫、真空、水下或高粉塵的環境中 隨着第二次工業革命軸承迅速發展 大到汽車飛機、裝甲車輛、機牀儀器、小到自行車縫紉機都離不開它 發明層出不窮,社會欣欣向榮 人們已經忘了鯨魚的事了,或者把它當作科技發展解決問題的範例 但人類很快就發現,生存問題從鯨魚轉向了自己 世界大戰來臨了,技術雙刃劍的另一面狠狠砍下 科技就是生產力,而生產力決定生產關係的規律,在悄無聲息中決定着一切 1943年,盟軍開始反攻 學者統計發現,武器零件裏軸承最多,造起來也不太容易 僅僅一架德軍容克轟炸機,大小滾珠軸承有1000多個 學者建議選擇軸承工業來炸,比轟炸彈藥廠更有用 世衛因復特是德國的軸承工業區 美軍對它發動兩次戰略空襲,在幾百架轟炸機密集投彈下 德國軸承廠損失殆盡,一時間德軍武器趴窩 軍隊只能徵用馬匹進行集結,戰鬥力受到沉重打擊 最重要的軸承成爲最容易被打擊的軟肋 二戰後,軸承業全面發展,軸承大到幾十米,小到零點幾毫米 品種數以萬計,用途包羅萬象 潤滑油走向循環可再生,以及高性能,長壽命 摩擦學對油膜的研究則進入納米級別 人類發明機械後,減小摩擦就成了永恆的話題 其中最重要的軸承,又和潤滑技術相伴相生,互爲促進 它們共同構建着人類技術大廈的宏偉基石